（电路与系统专业论文）018μm+cmos工艺低电压超高速1：16分接器设计.pdf

摘要 摘要 分接器位于光接收机的末端，将光纤传输中串行高速信号还原为并行的多路低速信号，是光纤 通信系统中的关键电路。 由于便携式电子系统的快速发展，电源电池技术的相对滞后，低功耗设计成为电路设计考虑的 一个重要因素。在确定的制造工艺背景下，高速率和低功耗指标是一组矛盾。保证分接器在高速率 上稳定工作是电路设计的一个难点，实现芯片功耗的最低化是电路设计的另一个难点。降低电路的 功耗可以采用以下手段：降低电源电压和( 或者) 降低电源总电流。而减小电源电压是减小功耗最 直观的手段，故采用之。然而，降低电源电压则对电路的高速率指标和电路结构的选择提出新的挑 战。 本文设计的1 ：1 6 分接器实现了1 路s t m - 6 4 高速信号至l j l 6 路s 1 m - 4 低速信号的分接功能。该分接器 可应用于光纤通信系统s t m - 6 4 ( 1 0 g b i t s ) 速率级别的光接收机中。 在对几种常见的分接器结构做了初步量化计算以后，本文决定选用树型分接器结构进行电路设 计，以1 ：2 分接器模块为基本单元，在高速数据和时钟端采用了单端动态负载锁存器结构，在中速端 采用了准静态c m o s 锁存器结构，而低速端则采用了动态c m o s 锁存器结构进行设计。这样既保证了 电路的高速特性，又同时兼顾了芯片的面积和功耗等重要指标，从而达到课题的设计要求。 本次设计的1 ：1 6 分接器芯片采用标准电压为1 8 v 的s m i co 1 8 mr fc m o s 工艺进行流片，芯片 面积为9 7 5 p m * 6 7 5 p m 。测试结果表明，在电源电压为1 5 v 时，电路能够实现l 路1 0 g b s 高速数据到1 6 路6 2 5 m b s 低速数据的分接功能，眼图清晰，张开度较大，边缘陡峭，芯片功耗为1 7 2 m w 。 为了更好地验证深亚微米工艺条件下低电压设计的可行性，本文采用标准电压为1 2 v 的u m c o 1 3 l g nc m o s 工艺，设计了一块二分频器，芯片面积为4 1 2 p m * 3 3 8 p m 。测试结果表明，在电源电 压为1 v 时，芯片能正常工作，分频范围为3 g i - i z 1 8 g h z ；在电源电压为0 8 v 时，芯片工作范围为 3 g h z 1 7 g h z 。芯片功耗为2 0 m w ( 电源电压为l v 时) 。 关键字：分接器；c m o s ；低电压；动态负载 a b s t r a e t a b s t r a c t d e m u l t i p l e x e r ( d e m u x ) i sak e yc i r c u i to p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n s a st h eb a c ke n do fo p t i c f i b e r r e c e i v e r , d e m u xd e c o m p o s e sah i g h - s p e e dd a t as t r e a mt os e v e r a lo r i g i n a ll o w - s p e e dd a t as t r e a m s b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o r t a b l ee l e c t r o n i cs y s t e m sa n dt h el a g g i n gb a t t e r yt e c h n o l o g i e s ， l o w - p o w e rd e s i g nb e c o m ea ni m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o ni nc i r c u i td e s i g n h i g h - s p e e da n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o ni sas e to fc o n t r a d i c t i o n si no n em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t og u a t a n t e ed e m u l t i p l e x e rw o r k s t a b i l i t ya th i g hs p e e di so n ed i f f i c u l td e s i g nw o r k , a n dt om i n i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h ec h i pi s a n o t h e r t h ef o l l o w i n gm e t h o d e sc a nb eu s e dt or e d u c et h ec i r c u i tp o w e rc o n s u m p t i o n ：l o w e rs u p p l y v o t a g ea n d ( o r ) r e d u c et h et o t a lp o w e rs u p p l yc u r r e n t a n dr e d u c et h es u p p l yv o l t a g et or e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o ni st h em o s ti n t u i t i v em e a n s ，s ou s e d t h e1 ：16d e m u l t i p l e x e rp r o p o s e di nt h i sp a p e rd i v i d e so n ec h a n n e lo fs t m 一6 4h i g hs p e e ds i g n a li n t o 16c h a n n e l so fs t m - 4l o ws p e e ds i g n a l s ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h ev a r i o u sh i g hs p e e d o p t i c c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h i sd e s i g na d o p t sat r e e - t y p es t r u c t u r ew i t hc e l l so f1 ：2d i v i d e r s s i n g l e e n d e dd y n a m i cl o a dl a t c h i sp r o p o s e df o rh i g hs p e e d1 ：2d e m u l t i p l e x e rc e l lw h i l ec m o s q u a s i s t a t i cf l i pf l o pf o rm e d i u ms p e e d1 ：2 d e m u l t i p l e x e rc e l la n dd y n a m i cc m o sl o g i cf o rl o ws p e e d1 ：2d e m u l t i p l e x e r t h i ss t r u c t u r ec a nm e e tt h e n e e do fa r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o n t h ec h i pi sf a b r i c a t e di nas m i co 18 1 x mr fc m o s p r o c e s sa n dt h ec h i pa r e ai s9 7 5 1 a m 幸6 7 5 i _ t m t h e t e s tr e s u l ts h o w st h ew o r k i n gr a t ec a nb e10 g b si n1 5 vs u p p l y t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s17 2 m w i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fl o w - - v o l t a g ed e s i g nu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd e e ps u b m i c r o n p r o c e s s ，af r e q u e n c yd i v i d e ri sd e s i g nu s i n gu m c0 1 3 1 a mc m o sp r o c e s s t h ec h i pa r e ai s4 1 2 i _ t m 3 3 8 i _ t m t h et e s tr e s u l ts h o w si tc a nw o r ka tt h ef r e q u e n c yr a n g eo f3 g h z i8 g h zi nt h ep o w e rs u p p l yo f1va n d 3 g h z 1 7 g h zi nt h ep o w e rs u p p l yo f 0 8 v t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s2 0 m w k e yw o r d s ：d e m u l t i p l e x e r ；l o wv o l t a g e ；c m o s ；d y n a m i c - l o a d i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 豸玺i 星丝盘 日 期：丞型f g 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 猛逝盘导师签名： 日 期：p 厂；i 髟 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 光纤通信系统简介 1 1 1 光纤通信系统的组成 光纤通信又叫光缆通信，是以光纤作为传输介质，光波作为信息载体进行的通信。这种通信方 式所组成的光纤通信系统工作原理如图1 1 所示。系统主要包括三大部分，即光发送设备、光接收 设备和光传输设备。光发送设备主要有驱动器和光源，其作用是把电端机输入的电信号对光源进行 调制，使光源产生与电信号相对应的光信号进入光纤。光接收设备主要有光检测器和放大器。当光 信号通过光纤到达光接收设备时，光检测器把光信号转换为相应的电信号，经放大后进入电端机。 在没有中继器的短距离通信系统中，传输设备是指光缆。在远距离通信系统中，为了补偿光纤的损 耗并消除信号失真与噪声的影响，光缆经过一定距离需加装中继器。随着技术的不断进步，为了能 够实现比特率可变的传输系统，光放大器已经逐渐取代电中继器，从而实现全光传输网络。 电 光 光缆 光 电发 o 。 中 端送 继 言号 机设 光信号 器 备 光信号 光 光缆 光 中n 接电 - kj ，- l 收 端 继 器 光信号 设 机 备 卜- 一光传输设备一 图1 1 光纤通信系统的组成 1 1 2 光纤通信的特点 号 光纤通信具有以下优点：【1 】 1 ) 传输频带宽，通信容量大。目前使用的传播频率比微波高1 0 3 1 0 4 倍，通信容量可增加1 0 3 1 0 4 倍。理论上两根光纤可传送上百万个电话和上百套电视节目。 2 ) 中继距离远。光纤通信无中继的直通距离可以比金属电缆远得多，目前可达l o o k m 以上， 适合长距离传输。 3 ) 抗电磁干扰能力强，无串话。光纤是非金属的光导纤维，即使工作在强电磁场附近或处于 核爆炸后强大的电磁干扰的环境中，光纤也不会产生感应电压、电流。这有利于传送动态图像( 如 东南大学硕? ：学位论文 可视电话和电视节目) ，靠近高压输电线或与电气化铁道平行敷设，通信也不受干扰，适合在工厂内 部的自动控制和监视系统中应用，也有利于在多雷地区、飞机上以及保密性要求强的军政单位使用。 由于光纤信息限制在光纤内传输，不会溢出光纤，所以光缆的光纤之间不会“串话”，即没有纤间串 扰，不易被窃听。 4 ) 光纤细，光缆轻。光纤直径一般只有儿微米到几十微米，相同容量的话路光缆，要比电缆 轻9 0 - - 一9 5 ( 光缆的重量仅为电缆的l 1 0 1 2 0 ) ，直径不到电缆的1 5 。故运输和敷设均比铜线 电缆方便，并有利于在军用战斗机上用做信号控制。 5 )资源丰富，节约有色金属和能源。光纤的纤芯和包层的主要原料是二氧化硅，资源丰富且 价格便宜，取之不尽。而电缆所需的铜、铝矿产则是有限的，采用光纤后可节省大量的铜材。制造 1 0 0 0 0 k m 光纤比1 0 0 0 0 k m 单管同轴铜线可节约能源2 。6 4 x1 0 j ，折合标准煤为9 1 0 k g 。 6 ) 均衡容易。在工作频带内，光纤对每一频率成分的损耗几乎是相等的，一般不需要中继站 和接收端采取幅度均衡措施。 7 ) 经济效益好。由于其通信容量大、中继距离长、节省有色金属和敷设方便等优点，因此， 经济效益十分明显。3 4 m b s 以上光纤通信系统的价格比同轴电缆便宜3 0 以上。 8 ) 抗腐蚀、不怕潮湿。即使光纤的外保护层有小孔、裂缝而进水或受潮，也不会影响光的传 递，但进水和受潮对金属导线则意味着接地和短路。光纤系统也不存在发生火花的危险，安全性好。 由于光纤通信上述的诸多优点，光纤通信技术在近几年发展迅速，并将在未来的信息传输与交 换网中起举足轻重的作用。 目前，基于光纤传输网络的高速数字传输标准同步数字体系( s d h ) 和同步光网络( s o n e t ) 已在全世界范围内广泛的建设和应用。其中，数据速率为2 5 g b s ，1 0 g b s 的系统开始广泛应用，随 着各种多媒体业务的发展，光纤通信会得到更迅猛的发展。 1 1 3 光收发系统 光收发系统【2 哟原理如图1 2 所示。 由激光二极管( l a s e rd i o d e ) 发射出来的光经过光纤的长距离的传输后会有一定的衰减，所以： ( 1 ) 发射机激光二极管的发光强度要强；( 2 ) 接收机的光电二极管( p h o t od i o d e ) 对光的灵敏度要 高；( 3 ) 由光电二极管产生的电信号必须实现低噪声放大。在光发射机中，为了扩大传输容量和提 高传输效率，通常将多路低速并行数据在低速时钟的作用下由复接器( m u x ) 合成一路高速串行数 据。由于低速端不提供高速时钟，其高速时钟由低速时钟作为参考时钟的频率综合器( p l l ) 产生。 从复接器出来的高速数据，由于串扰和时钟的不对称性等原因，通常具有较大的抖动。因此，在送 给激光驱动器之前，通常需要通过再定时( r e t i m e r ) 电路来消除这些噪声。激光驱动器( l a s e rd r i v e r ) 的输出功率可以通过自动功率增益控制( a u t op o w e r c o n t r 0 1 ) 来调整，以避免激光驱动器输出功率 过大或过小。光接收机是光发射机的逆过程。跨阻放大器( t r a n s i m p e d e n c ea m p l i f i e r ) 首先将光电 第1 章绪论 二极管输出的微弱电流信号放大并转换为具有一定幅度的电压信号。高增益的限幅放大器( l i m i t i n g a m p l i f i e r ) 进一步将前置放大器输出的电压信号放大到限幅状态以满足下级数据判决( d a t ad e c i s i o n ) 和时钟恢复( c l o c kr e c o v e r y ) 电路的需求。由于数据经过信道后被不同程度的干扰而失真，因此不 能被用来进行下一步处理。当然，利用均衡器( e q u a l i z e r ) ( 可选) 可以在一定程度上减小失真，从 而更加有利于数据判决和时钟恢复电路工作。通常光纤只是用来传输数据信号，因此要得到与输入 信号同步的时钟信号必须从数据信号中提取出来，完成这个功能的电路就是时钟恢复电路。恢复出 来的时钟首先送给判决电路来减少数据的抖动和其他干扰，然后经分频后送给分接器将高速的串行 数据信号还原为低速端并行数据信号送给下一级处理。超高速分接器是本文研究的主要内容。 ，、 输0 。1 发射单元嘴一i 光。i 土鼍垄 入o _ 夏 一lo l 。 = 捌f j、t ； 数争- 接 器 彳 据争_ 蛤1 。 i 自煮益卜 ii f - r 例_ 耐钟1 分m i 删平孙口俯l 频率综合器 光纤【j f 留是一一是一l ；刍压 - 输 _ 出 丫 一陟 一l：i i 磊 _ + 数 _ 据 f 、 l 自动增益i 叫时 复1 1 i j l 一r i p ) 1 l o $ , m i 控制 广。 i甩精l io 接收机 。 萼青春 1 2 低功耗设计概述 图1 2 光收发系统框图 在过去，由于工艺的高度复杂性和高昂的费用，低功耗电路的设计和应用仅仅被用于一些必须 要低功耗的场合，比如手表、袖珍计算器、心脏起搏器和些集成传感器。然而，低功耗设计正在 成为所有高性能应用的规范，因为功耗是设计中最重要的因素之一。虽然设计师为不同的原因而降 低功耗，这取决于目标应用，但尽量减少系统的整体功耗已成为一个高度优先考虑的事项1 3 j 。 这种趋势的最重要原因之一是便携式系统的出现。随着“便携伴随任何人、任何时间、任何地 点”的时代成为现实，与非电子系统相比，便携性成为电子系统的一个基本特性，则其电源的体积 和重量都有限制，因此强调有效地利用能源便成为一个主要设计目标。 3 东南人学硕上学位论文 可移植性的考虑基于多种冈素。首先，电池组的尺寸和重量是最基本的要素。便携式系统，有 一个不合理的沉重电池是不切实际的，而且系统对电池任意时刻的可取功率都有限制。其次，使用 便携式系统的方便性很人程度上取决于其充电时间问隔。一个需要频繁充电的系统是不方便的，从 而限制了用户使用该产品的总体满意度。 尽管电池技术在不断地进步，但其容量在过去的3 0 年来仅仅只提高了2 - - 4 倍；而数字集成电 路的计算能力则增加了超过4 个数量级。为了说明低功耗设计的重要性，我们来考虑一个未米的便 携式多媒体终端，其支持宽带无线通信、双向移动视频、高品质音频对话和手写输入等。这样一个 终端设备，如果用现成的非低功耗没计实现的话，其功耗将达到4 0 w 。当前的镍铬电池技术提供的 容量为2 0 w - h o u f f p o u n d ，如果要满足上述应用并达到1 0 小时的充电时间间隔的话，则需要一个2 0 磅的电池。即使是新的电池技术，比如可充电锂电池或聚合物电池，在未来5 年内其容量提升预计 不会超过3 0 - - 4 0 。冈此，在没有低功耗设计技术的情况下，未来的便携式产品将会出现不合理重 量的电池或很短的电池使用时间。 功耗的话题还包括可靠性和制造非便携高端应用产品的成本。封装密度、时钟频率和微处理器 计算能力的不断提高不可避免地导致功耗的增加。与微处理器功耗相关的趋势表明，这些年来功耗 几乎随芯片的“面积频率乘积”成正比线性增长。比如，d e c 2 11 6 4 的核心面积为3 c m 2 ，时钟运行 频率为3 0 0 m h z ，消耗的功率高达5 0 w 。如此高的功耗需要昂贵的封装和冷却技术来确保正常工作， 如果冷却不够充分导致工作温度过高，则会导致硅失效机制的加剧。为了保持产品的可靠性并且避 免昂贵的封装和冷却费用，制造商们正在重压下努力控制其产品的功耗。 最后，由于现代工作场所中计算和通信所耗电能占的比重日益提升，低功耗设计符合全球日益 认识到的环境问题。结果，功耗已经成为集成电路设计和性能参数的最重要因素之一。仅仅在几年 前，电路的功耗还排在性能和面积等设计问题后面。数字系统的性能通常只用其在规定时间内执行 的指令数，即吞吐量来衡量。实现电路需要的面积同样很重要，因为它直接关系到芯片制造的成本。 大的核心面积会导致昂贵的封装和低产量，两者一起形成高成本。因为系统性能的提高通常以硅片 面积的增加为代价，在过去i c 设计者的主要任务就是在两者间优化、折中。而现在，i c 设计师必 须在设计低功耗的电路同时又要考虑不会严重影响电路的性能。 显然，因为便携性、可靠性、成本和环境问题，功耗已经成为v l s i 工程中的一个主要考虑因 素之一。而为了满足光纤通信系统s t m 6 4 标准，高速率则是本设计的另一主要考虑指标。为了达 到满足光纤通信集成电路高速率要求的同时，尽可能地降低芯片功耗，本论文将从系统结构和电路 结构两方面来分析阐述超高速低功耗分接器的设计。前者主要是选择分接器的总体架构，因为分接 器具有输入端速度快输出端速度慢的特点，所以要选择一种既能保证电路的性能，又能尽可能地降 低功耗的系统结构来实现；后者主要从降低电源电压来考虑降低分接器的功耗，这就需要选择低电 压的电路结构来实现。两者将在第二章和第三章中分别具体阐述。 第1 章绪论 1 3 研究动态和论文目的 当前，国际上1 ：1 6 的分接器已经有不少成熟产品，但大多数采用双极型硅、砷化镓和锗硅等工 艺实现，因此具有功耗较大、流片成本较高等特点。国内光传输芯片的研究还刚刚处于起步阶段， 但已经有几款用c m o s 工艺实现的l ：1 6 分接器，但速率均不高。表1 1 列出了国际国内几种具有代 表性的1 ：1 6 分接器。 表1 1 有代表性的超高速分接器 速率电压功耗芯片面积 工艺分接类型结构发表年份 g b s vw m m 2 s ib i p l o a r1 ：1 6 树型 1 2 531 5n a 1 9 9 6 1 4 国际 0 1 8l u nc m o sl ：8 树型 1 020 1 0 21 5 1 5 2 0 0 1 【5 1 国际 0 1 8l a mc m o s1 ：4 树型 1 01 30 0 3 8 ( n o1 5 1 5 2 0 0 3 1 6 国际 o u t b u f f e r ) s i g eb i c m o s1 ：1 6 树型 6 05 v 1 4 5n a 2 0 0 6 1 7 国际 3 3 v 0 2 5 m c m o s 1 ：1 6树型2 53 3o 5 41 5 6 1 8 6 2 0 0 5 1 8 国内 0 2 5l a mc m o s l ：1 6树型2 52 5 o 2 8 1 5 9 1 5 2 2 0 0 6 1 9 国内 本论文的主要目的是，利用s m i c0 1 8 1 x mc m o s 工艺，完成应用于s d h 光纤通信系统s t m 一6 4 速率级别( 1 0 g b s ) 的1 ：1 6 分接器的设计。通过对分接器的系统原理、低电压设计方法进行全面的 研究和分析，选择适当的系统结构和电路模块，设计工作电压为1 2 v ，工作速率为1 0 g b s 的1 ：1 6 分接器，同时兼顾面积、功耗等指标。 1 4 论文组织 第2 章介绍了分接器的系统设计。首先阐述了通信系统的复用技术，接着介绍了分接器的三种 基本结构，最后在从系统级考虑低功耗设计后，选择树形结构为本次设计的系统结构。 第3 章从理论上分析了集成电路的低功耗设计。首先讨论了集成电路，特别是数字电路中功耗 的组成，接下来重点阐述了电压按比例降低的低功耗设计方法的各种限制，以及低电压设计对电路 延迟，从而对电路工作速度的影响。 第4 章介绍了1 ：1 6 分接器的电路设计。首先介绍了常用的几种锁存器电路及其特点，随后分别 介绍了l ：1 6 分接器中各个子模块的设计，包括级间缓冲、输入输出接口、1 ：2 分接器模块和2 分频 器模块。 5 东南人学硕士学位论文 第5 章介绍了l ：1 6 分接器的版图设计、仿真和芯片测试。 第6 章则是为了验i i e 矛u 探索在深弧微米，低电源电压，电压裕度更小的情况下，本设计所用低 电压结构电路的工作状况。这里采用u m c0 1 3g mc m o s 工艺，设计了一个2 分频器，所用锁存器 与1 ：1 6 分接器高速端所用结构相同设计，设计电源电压小于l v 。 第7 章是全文的结论。 6 第2 章分接器的系统设计 第2 章分接器的系统设计 众所周知，通信网主要由三个部分组成：用户终端设备；传输系统；交换系统。随着用户对终 端设备要求的不断增加，传输系统必须提高传输速度和传输质量。提高信道的容量是提高传输系统 容量的有效途径，光纤因其频带宽，通信容量大的优点得到了广泛应用。但由于系统或电路的限制， 传输媒质的带宽并没有得到充分利用。要解决这个问题，就需要引入复接( m u l t i p l e x ) 技术。 分接( d e m u l t i p l e x ) 技术是复接的逆过程，有复接则必然有分接。通常复接用在传输系统的发 送端，而分接则是在对应的接收端。分接的任务是把接收到的大容量信号一步一步分接还原成用户 实际需要的低速的原始数据信号。实际上，如果在通信干线中传输的高速大容量的信号不经过还原， 用户的数据终端将无法对其进行处理，信息对用户来说毫无作用。 本章首先介绍了分接器所属复用技术的类型及其特点。在第二节中介绍了三种常用的分接器结 构，以及相互间的比较。在第三节阐述了本文采用的系统结构及其系统设计。 2 1 通信系统中的复用技术 在数据通信中，复用技术的使用极大地提高了信道的传输效率。常见的信道复用技术有：频分 复用( f d m ) 、时分复用( t d m ) 和光纤通信系统中专用的波分复用( w d m ) 。实际应用中频分复 用用于模拟传输系统，而时分复用被广泛应用于数字传输系统中。在这里我们主要讨论与本文相关 的时分复用，对其他方式只做简单的介绍。 2 1 1频分复用 频分复用l l l j ( f d m ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是将用于传输信道的总带宽划分成若干个 子频带( 或称子信道) ，每一个子信道传输l 路信号。 复用的每路信号首先通过带通滤波器滤除带外噪声，限制各路信号的最高频率启和最低频率五， 确定各路信号的带宽，然后各路信号通过各自的调制器调制到指定的频率。为了保证各子信道中所 传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，留有一定的防护频带磊，因此频分复用要求 总频率宽度大于各个子信道频率之和。 经过调制后的各路信号，在频率位置上彼此分开，合路器将他们合并成适合信道内传输的复用 信号。在系统的接收端，可以利用相应的带通滤波器来区分各路信号的频率。然后通过各路的相干 解调器便可恢复出各路的调制信号。 频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑 传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用的主要缺点是设备复杂，另一个缺 点是因滤波器特性不够理想和信道内存在的非线性而产生路间干扰。 - 7 - 东南大学硕二仁学位论文 2 1 2 波分复用 光波分复用【1 2 】( w d m ，w a v ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是将多个波长不同的光信号在同一根 光纤上传输的技术。在发送端将不同波长的光信号组合起米( 复片j ) ，并耦合到光缆线路的同一根光 纤中进行传输，在接收端将包含多种波长的光信号分开( 解复用) 并作进一步处理，恢复出的原信 号送入不同的终端。 在一根光纤上传输多个波长光信号的基础是光纤具有足够的带宽资源。目前单膜光纤适合的工 作区有两个，即1 3 l o n m 和1 5 5 0 n m 波长段两个低损耗区域。其中，1 3 1 0 n m 波长段的低损耗区大约 从1 2 6 0 1 3 6 0 n m ，共l o o n m 。1 5 5 0 n m 波艮段的低损耗区从1 4 8 0 , - - - 1 5 8 0 n m ，共1 0 0 n m ，因此两个波 长段一共约有2 0 0 n m 低损耗区可用，相当于3 0 0 0 0 g h z 的频带宽度。 目前实际光纤通信系统中由于光纤色散和调制速率的限制，其通信速率被限制在1 0 g b s 或以下， 所以单膜光纤尚有绝大部分的带宽资源有待开发。 w d m 技术对网络的扩容升级、发展业务、充分发掘光纤带宽的潜力、实现高速通信等具有十 分重要的意义。尤其是应用掺铒光纤放大器( e d f a ) 的w d m 系统更是对现代通信网络具有十分 强大的吸引力。 2 1 3时分复用 时分复用( t d m ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干 时间片( 简称时隙) ，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道 进行数据传输。其特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。其优点是 时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对 应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。时 分复用技术与频分复用技术一样，有着非常广泛的应用，电话就是其中最经典的例子，此外时分复 用技术在光纤通信中也同样取得了广泛地应用，如s d h ，a t m ，i p 和h f c 网络中c m 与c m t s 的 通信都利用了时分复用的技术。 时分复用可以有很多种方式，从总体上可以分为“透明”和“非透明”两类【l 列【l 引。 “透明”的复用在发送端依次将n 路速率相同、相位一致的低速数据合成为一路n 倍速率的数 据流。接收端的分接电路( 分接器) 在与发送端频率相同的时钟信号控制下，将高速数据直接分接 成原来的n 路低速数据。 “透明”的时分复用系统原理框图如图2 1 所示。发射端s l 、踟均为速率相同、相位一 致的数字信号；发射端k l 和接收端k 2 均为概念上的电子转换开关。k l 在时钟信号的控制下以高速 切换，可以得到一路高速的包含各路信号的数据流。接收端k 2 在时钟信号的控制下以与k l 同样的 速率切换，从高速数据流中恢复出原来的数字信号& ，& 跗。 8 第2 章 分接器的系统设计 图2 1 时分复用系统原理框图 有两种常用的“透明”的时分复用方式。 一种是按比特复用方式。这种方式每个周期依次在每一路低速数据流中取出一个比特，将n 路 的n 个比特以n 倍速率依次送入高速通道。高速和低速数据流的组成如图2 2 所示。在接收端只要 将数据流按比特依次送入n 路低速通道即可还原n 路低速信号。 低速 高速数据流的，个比特 ：二亘呈：二： 图2 2 按比特复用数据流构成图 另一种是按字节复用方式。这种方式每个周期依次在每一路低速数据流中取出一个字节，将n 路的n 个字节以n 倍速依次送入高速通道。数据流的组成与按比特复用方式类似，仅以一个字节代 替了上图中的一个比特。接收端在进行分接前首先要通过特征码辨别一个字节的起始位置，而后只 要将数据流按字节依次送入n 路低速通道即可还原n 路低速信号。 “非透明”复用在功能和结构上都比“透明”复用复杂的多。在发送端将各路低速数据信号按 照某种协议“打包”成一路高速数据信号。各路低速数据信号的速率、相位都可以不同。在接收端， 需要采用许多复杂的技术按照协议“辨别”出信号的属性，然后将这些数据“整理”成原来的几路 速率、相位都不同的数据流。s d h 系统中的s t m 1 数据流就是通过“非透明”复用方式形成的。 “透明”的复接器的主要功能是将比特率相同的几路低速数字信号合成为一路高速数字信号， 然后送至信道传输。其价值在于，提高了信道传输容量，将本来用多条信道传输的信号放在一条信 道上传输，大大减小了铺设信道的成本，同时提高了传输容量。这种复接器大多用于传输系统与信 道的接口部分，电路规模不大，其特点在于高速。目前的通信系统中，这种复接器一般用于光纤传 输接口，速率较高，可达数g b s 。本文所研究的分接器正是用来分接来自光纤传输系统接收端所接 收到的被“透明”复接了的高速数字系统，设计的l ：1 6 分接器按比特分接方式工作，属于“透明” 9 东南大学硕士学位论文 的分接器。 2 2 分接器的基本结构 分接器有三种基本结构：串行结构、并行结构和树型结构【1 5 】【1 6 l 。这种划分结构的方法是按电路 的高速端来进行的，无论是在复接器还是在分接器中，高速端都是电路设计的关键。对于分接器而 言，高速端在它的输入端。从s d h 和s o n e t 的速率等级划分可知，逐个等级之间都是四倍关系， 因此1 ：4 的分接( 复接) 结构的研究非常具有典型性。后面的分析将以1 ：4 分接器为例，分别介绍 三种结构的工作原理及其特点，并简单计算分析这三种结构的功耗表现。为方便比较，这里假设一 个工作在c k 频率的d 触发器的功耗为a ，并假定功耗与时钟频率成正比，则工作在c k 4 频率的d 触发器的功耗为a 4 。 2 2 1 串行分接器 图2 - 3 ( a ) 是1 ：4 串行分接器的结构图，d o 是输入信号，c k 是输入数据的同步时钟，c k 4 是 由c k 四分频得到的时钟，d 】d 4 是四路输出数据。1 ：4 串行分接器实际上是一个串并转换电路，与 c k 相连的四个主从触发器d f f 构成四位移位寄存器，由时钟c k 将高速数据流中的四路数据分别 存储在四位移位寄存器中，然后在c k 4 的作用下，四个寄存器将四路数据同步并行输出，完成1 ：4 分接功能。 ( a ) d o ：冈、! 唧 厂 c k 厂 厂 ：! 冈：田! 广 厂 厂 一 c 醚几：过：r 一 d l = ：王聂：三一_ i 。 o d3。-一一-_-一一-一一-一_-一一一一j。f一 一一一一。一一。一。一一。一一一一一。一1 - 誓：丁1 一 图2 31 ：4 串行分接器 ( b ) 对于如图2 3 ( a ) 所示的分接器，需要两个时钟信号：一个c k ，它的频率等于输入数据的比 特率；另一个是c k 4 ，它等于该比特率的1 4 。一般来说，c k 由系统直接提供，与分接器输入数据 同步，c k 4 需要由分接器中的电路来产生，最简单的产生办法就是由两个t f f 构成的四分频电路产 生，这种方式产生的时钟是1 ：1 的占空比，它也可以由其他方法产生，占空比未必一定要是l ：1 ， 也可以是1 ：3 等，只要频率关系是1 ：4 。对于分接器这样的高速数字电路，时钟信号和数据信号之 l o 第2 章分接器的系统设计 间的相位关系尤其重要，只有正确的相位关系，才能获得正确的结果和最佳性能( 如最高速率等) ， 如图2 3 ( b ) 所示，c k 的上升沿( 触发沿) 正好位于d o 的比特位的中点，这样可以获得最大的正 确率，原因是实际的数据信号有比较大的上升沿和下降沿，一般情况下，在比特位的中点，数据信 号分辨率最大，即在这一点采样数据，数据的正确率最大。如图2 3 ( b ) 所示，虚竖线为在时钟c k 4 的作用下，移位寄存器数据同步并行输出，c k 与c k 4 有一定的相位差，并大于输出寄存器的建立 时间，保证寄存器正确操作。 串行分接器的工作速度取决于各级移位寄存器和第一级时钟分频器的速率。对于1 ：n 串行分接 器，需要2 n 个d 触发器，其中n 个触发器工作在输入数据速率相同的时钟频率上，也就是分接器的 最高工作速率，他们的速度有可能制约分接器的速度。当这种电路主要依赖设计措施来提高速率时， 其消耗的功耗可能非常大，因为每一级由主从触发器组成的移位寄存器需要一个大电流来获取高速 度。因此这种结构一般只应用于一些低速系统。 下面计算1 ：4 串行分接器的功耗。由图2 3 ( a ) 可知1 ：4 串行分接器有4 个d 触发器工作在c k ， 4 个d 触发器工作在c k 4 ，一个4 分频器可简化成个d 触发器工作在c k ，另一个工作在c k 2 。由 此可知l ：4 串行分接器的功耗为：4 a + 4 * a 4 + a + a 2 = 6 5 a 。 2 2 2 并行分接器 图2 4 ( a ) 是l ：4 并行分接器的结构图，d i n 是输入数据信号，c k 是输入数据的同步时钟，c k o c k 4 是由c k 得到的四相时钟，d l d 4 是四路输出数据。l ：4 并行分接器的工作原理是由四相时钟 将输入数据四个连续的比特分别保存在四个并行的触发器中，这时就已经得到了四路分接的数据， 但是它们不同步，还需要四个触发器在c k 4 的作用下将这四个比特数据同步并行地输出，如图2 4 ( b ) 所示，这样就实现了完整的分接功能。 对于1 ：n 并行分接器需要2 n 个d 触发器，n 个用于输入的d 触发器与高速的数据流并行但是 轮换的连接，另外n 个用于同步。与串行分接器相比，并行分接器需要n 个时钟信号，这n 个时钟 具有相同的频率和相等的相位间隔，时钟的频率是输入数据速率的i n 。产生这n 个不同相位的时 钟信号需要设计专门的电路，这也就增加设计的复杂度，同时这部分电路也需要消耗额外的功耗。 在并行分接器中，d 触发器的速度不再成为关键因素，因为他们工作在输出数据的比特率上。 对于一个l ：2 的分接器来说，这种结构的分接器可以达到最高的比特率。但是对于高阶( n 4 ) 的 分接器来说，速度的大幅度提高将变得困难，因为n 个并行连接的d 触发器对前级电路来讲构成一 个很重的电容负载，从而影响电路速度的提高。 由图2 4 ( a ) 可知1 ：4 并行分接器有8 个d 触发器工作在c k 4 ，一个4 分频器可简化成一个d 触 发器工作在c k ，另一个工作在c k 2 ，功耗为：8 * a 4 + a + a 2 = 3 5 a 。 东南大学硕上学位论文 d i n dff睁_d q 篁 正 d 哪fq 选 匕兰 gj 诼正二 d 肼fq 睦 _ gl 瓦汇二 d 阱fq b l _ 二 g 赢正二 4 分频与 相位控制 ( a ) 2 2 3 树型分接器 d 踯fq 匕l 卜川 c d f f d 2 d cq 卜c d 警q p 卜卅 c d ：fo p 卜卅 c c k o d o ：一! 可! 厂1 c k 厂 广 厂 厂 厂 厂 厂 c k i 厂 ：厂一 c k 2 1 厂厂 c k 3 厂 c “厂 r d i _ = = ：厂 d ii d 2 = ：厂j i 。j - j 一一一一一一一一一一一一一一一一一t 一 d 3 j 蹦：，一 c k ? 厂 厂 - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - - 。二_ _ _ 。_ _ _ _ 。_ _ _ 。- _ 。一 d i j 1 d ，1 0 码j i 一 d 4 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j i 一 ( b ) 图2 41 ：4 并行分接器 图2 5 是1 ：4 树型分接器的结构图，它是由三个1 ：2 分接器构成的二叉树型分接器。第级1 ：2 分接器将输入数据分接成两路数据，下一级两个l ：2 分接器再将这两路数据分接为四路数据。第一 级1 ：2 分接器工作的时钟频率为输入数据比特率的1 2 ，第二级1 ：2 分接器的时钟频率为输入数据 比特率的1 4 。 1 ：n 树型分接器( n 是2 的指数幂) 需要n 1 个l ：2 分接器，l 0 9 2 n 个时钟信号，这些时钟信号 频率分别是输入数据速率的1 2 ，1 4 ，o oo o*91 n ，它们可以通过二分频逐渐得到。每个l ：2 分接 器一般包含5 个锁存器，在规模上相当于2 5 个主从d 触发器，所以一个1 ：n 树型结构分接器相当 于2 5 半( 肿1 ) 个d 触发器的规模。规模小，相应的功耗也较小，另外整个分接器中只有一个1 ：2 分 接器工作频率为1 2 输入数据速率，其他1 ：2 分接器工作在更低的时钟频率上，因此电路设计的难 度降低，节约了为提高电路速度而增加的额外功耗。整个分接器相对于